氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)由兩種截然不同的分析技術(shù)組成：氣相色譜(GC)與質(zhì)譜(MS)聯(lián)用。
氣相色譜是一種分離科學技術(shù)，用于分離樣品混合物中的化學成分，然后對其進行檢測，以確定其存在與否和/或含量多少。氣相色譜檢測器提供的信息有限，通常是二維信息，即分析柱上的保留時間和檢測器的響應(yīng)。鑒別方法是將樣品中峰的保留時間與使用相同方法分析的已知化合物標準的保留時間進行比較。但是，氣相色譜不能單獨用于未知化合物的鑒定，這正是與質(zhì)譜聯(lián)用非常有效的地方。質(zhì)譜儀可用作唯一的檢測器，也可在質(zhì)譜儀和氣相色譜儀檢測器之間分配色譜柱流出物。
質(zhì)譜是一種測量帶電粒子質(zhì)荷比(m/z)的分析技術(shù)，因此可用于確定分子量和元素組成，以及闡明分子的化學結(jié)構(gòu)。氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀的數(shù)據(jù)是三維的，提供的質(zhì)譜可用于確認身份或識別未知化合物，另外還提供可用于定性和定量分析的色譜圖。
氣相色譜-質(zhì)譜儀工作原理
圖1 氣相色譜-質(zhì)譜儀簡圖，顯示(1)載氣、(2)自動進樣器、(3)入口、(4)分析柱、(5)接口、(6)真空、(7)離子源、(8)質(zhì)量分析器、(9)離子檢測器和(10)PC。資料來源：AnthiasConsulting。
樣品混合物首先由氣相色譜儀分離，然后分析物分子被洗脫到質(zhì)譜儀中進行檢測。它們由載氣(圖1(1))輸送，載氣持續(xù)流經(jīng)氣相色譜儀并進入質(zhì)譜儀，由真空系統(tǒng)(6)抽真空。
1、樣品首先通過手動或自動進樣器進入氣相色譜儀(圖1(2))，然后通過氣相色譜儀進氣口進入載氣(圖1(3))。如果樣品為液態(tài)，則在加熱的氣相色譜儀入口處汽化，然后將樣品蒸汽轉(zhuǎn)移到分析柱(圖1(4))。
2、樣品成分，即"分析物"，通過它們在流動相(載氣)和液體固定相(固定在色譜柱內(nèi))之間的分配差異進行分離，或者對于揮發(fā)性較強的氣體，通過固體固定相的吸附進行分離。在氣相色譜-質(zhì)譜分析中，最常見的是在狹窄(內(nèi)徑0.1-0.25毫米)和短(10-30米長)的色譜柱中使用液體固定相。
3、除非分析物是異構(gòu)體，否則氣相色譜-質(zhì)譜分析不需要全基線分離，分離后，中性分子通過加熱的傳輸管路(圖1(5))洗脫到質(zhì)譜儀中。
4、在質(zhì)譜儀內(nèi)，中性分子首先被電離，最常見的方法是電子電離(EI)。在電子電離過程中，由燈絲產(chǎn)生的電子以70電子伏特(eV)的速度加速，將分子中的一個電子擊出，產(chǎn)生一個分子離子，該離子是一個自由基陽離子。這種高能電離會產(chǎn)生不穩(wěn)定的分子離子，多余的能量會通過碎片流失。鍵的斷裂會導致自由基或中性分子的損失，分子重排也會發(fā)生。這一切都會產(chǎn)生不同質(zhì)量的離子，有時數(shù)量非常大，其中最重的是分子離子，其碎片離子的質(zhì)量較低，具體取決于以下因素：
◆分子式
◆分析物的分子結(jié)構(gòu)
◆發(fā)生化學鍵斷裂的地方
◆哪個部分保留了電荷
5、下一步是分離不同質(zhì)量的離子，質(zhì)量分析器根據(jù)離子的m/z將其分離(圖1(8))。
質(zhì)量分析器有許多不同的類型，這就是質(zhì)量分辨率(以及儀器價格)存在巨大差異的原因。質(zhì)量分辨率是指質(zhì)量分析器分離m/z相差極小的離子的能力。單位質(zhì)量分辨率儀器只能分離標稱質(zhì)量或精確到小數(shù)點后一位的質(zhì)量，而高質(zhì)量分辨率(HRMS)儀器則可以分離到小數(shù)點后四或五位。
最常見的單位質(zhì)量分析器類型是四極桿，它是一種掃描儀器，通過改變電壓，只允許特定m/z的離子以穩(wěn)定的軌跡通過四極桿到達離子檢測器。四極桿儀器有兩種不同的工作模式：
①全掃描(SCAN)模式在一定質(zhì)量范圍內(nèi)獲取所有離子，適用于未知物的鑒定、方法開發(fā)以及高濃度分析物的定性和定量分析。
②選擇離子監(jiān)測(SIM)模式，只采集代表目標化合物的選擇離子，適用于痕量分析，因為靈敏度更高，但只針對目標分析物。
離子被質(zhì)量分析器根據(jù)其m/z分離出來后，到達離子檢測器(圖1(9))。(圖1(9))，在這里信號被電子倍增器(用于大多數(shù)低分辨率質(zhì)譜儀)或多通道板(用于大多數(shù)HRMS儀器)放大。信號由計算機上的采集軟件記錄(圖1(10))，為每個數(shù)據(jù)點生成色譜圖和質(zhì)譜。
氣相色譜-質(zhì)譜分析以及保留時間的意義
如圖2所示，氣相色譜-質(zhì)譜數(shù)據(jù)是三維的。x軸顯示保留時間；即從樣品注入到氣相色譜運行結(jié)束的時間。這也可以看作是掃描次數(shù)，即質(zhì)譜儀在整個運行過程中獲得的數(shù)據(jù)點的數(shù)量。y軸是離子檢測器測量到的響應(yīng)或強度(圖1(9))。z軸是所獲取的質(zhì)量范圍內(nèi)離子的m/z。
圖2 GC-MS數(shù)據(jù)是三維的，給出了掃描次數(shù)/保留時間、響應(yīng)/強度和m/z。資料來源：AnthiasConsulting。
二維色譜圖(如圖3所示)是將單個數(shù)據(jù)點的所有離子豐度相加，并將其與保留時間(RT)/掃描次數(shù)相對照，生成總離子色譜圖(TIC)，這與氣相色譜檢測器生成的色譜圖更為相似。不過，總離子色譜圖中的每個數(shù)據(jù)點都是獨立的質(zhì)譜，通?？稍谲浖膯为毚翱谥写蜷_。在圖3顯示的示例中，峰3的頂點數(shù)據(jù)點已經(jīng)打開。
圖3 氣相色譜-質(zhì)譜儀輸出的總離子色譜圖(TIC)。資料來源：AnthiasConsulting。
直鏈碳氫化合物正癸烷的質(zhì)譜示例見圖4。分子離子142m/z位于最右側(cè)。由于癸烷是飽和碳氫化合物，電離產(chǎn)生的多余能量無法在內(nèi)部分散，因此大多數(shù)分子離子會發(fā)生碎裂，從而產(chǎn)生許多碎片離子，分子離子的豐度較低。飽和碳氫化合物的鏈長越長，分子離子的豐度就越低，直到質(zhì)譜中觀察不到分子離子為止。然而，不飽和分子離子，尤其是那些帶有共軛雙鍵的分子離子(如芳香族化合物)，由于多余的能量更容易內(nèi)化，因此碎片較少。從癸烷的質(zhì)譜中觀察到的另一個現(xiàn)象是，在m/z43、57、71、85、99和113處有一系列的碎片離子，它們的m/z相差14。這些碎片離子是由連續(xù)的-C2H4-單元上的鍵重疊裂解形成的，如果電荷為+1，則相當于28Da，這也是碳氫化合物質(zhì)譜的一個主要特征。質(zhì)譜是分子的指紋，如果使用相同的電離技術(shù)和電壓獲得，則可與使用相同技術(shù)、相同電壓獲得的質(zhì)譜庫進行比較。最常見的商業(yè)譜庫是在70eV下產(chǎn)生的電離質(zhì)譜。質(zhì)譜還可以通過離子的質(zhì)量、同位素的存在以及碎片離子之間的損耗來確定分子式和分子結(jié)構(gòu)。
圖4 直鏈碳氫化合物癸烷(C10H22)的質(zhì)譜示例。
在氣相色譜中，保留時間用于鑒定目標分析物，而面積通常用于定量。如圖3所示，RT1和RT2的峰值必須具有良好的色譜分離度和基線分離，才能準確定量。對于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，質(zhì)譜提供了一種額外的方法，可使用完整的質(zhì)譜或使用少數(shù)幾個離子的存在和相對比率來確認目標分析物。使用GC-MS數(shù)據(jù)進行定量時，通常使用單一、特征性離子的面積，因為與使用TIC峰下的面積相比，它不太可能受到共沉淀峰的干擾。因此，準確定量并不需要色譜基線分離，只要能選擇共污染峰中不存在的獨特離子，從而對峰進行質(zhì)譜分辨，并實現(xiàn)基線到基線的積分即可。
氣相色譜-質(zhì)譜儀的優(yōu)勢和局限性
僅使用氣相色譜是有局限性的，因為它無法使用標準氣相色譜檢測器識別未知化合物，但如果與質(zhì)譜聯(lián)用，則可以做到這一點。相反，使用質(zhì)譜儀直接分析樣品會產(chǎn)生混合質(zhì)譜，難以解析和解釋，尤其是當樣品中含有多種化合物時。但與氣相色譜配對后，就能分離混合物。
并非所有化合物都能在標準氣相色譜柱上分離，因此利用質(zhì)譜分離去除干擾的能力可實現(xiàn)更精確的定量。質(zhì)譜的解卷積可以檢測基線和基質(zhì)峰下的小峰，選擇性MS/MS可以在干擾很小的情況下識別非常復雜樣品中的痕量分析物。
分析物的同分異構(gòu)體通常具有相同或非常相似的質(zhì)譜，因此僅靠質(zhì)譜很難區(qū)分它們。因此，需要使用色譜分離來分離它們。單個異構(gòu)體可通過其保留時間來識別，因此需要良好的色譜分離來進行準確的積分和定量。這一點對于同源系列(如飽和碳氫化合物)也是一樣，超過一定的鏈長，就看不到分子離子，質(zhì)譜看起來都是一樣的。同樣，必須使用保留時間來確定飽和碳氫化合物的特性。
如果缺乏用于鑒定化合物的分子離子，可以使用其他柔和電離方法。例如，較低電子伏特的電離或正負模式的化學電離可產(chǎn)生較少的碎片離子，防止分子離子的丟失或使其峰值更強。不過，碎片模式在很大程度上用于鑒定化合物的結(jié)構(gòu)，通常需要創(chuàng)建目標庫，因為軟電離技術(shù)的目標庫很少，但隨著軟電離技術(shù)的廣泛應(yīng)用，這種情況正在得到改善。
氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用將兩種功能強大的技術(shù)結(jié)合在一起，兩者相輔相成，可用于分離和鑒定樣品中的化合物。當一種方法無法提供答案時，另一種方法便可作為依據(jù)。
